KR101251256B1 - 연료전지용 막 가습기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가습기의 하우징내에 착탈 가능한 카트리지 타입의 내부 분할모듈을 설치하여, 각 내부 분할모듈의 습윤공기 유입홀을 통하여 중공사막 다발의 중앙부까지 습윤공기가 고르게 침투되도록 함으로써, 중공사막 다발의 중앙부를 주로 흐르는 건조공기에 대한 가습 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 카트리지 타입의 내부 분할모듈내에 히팅수단을 설치하여 동절기시 습윤공기에 포함된 물이 중공사막의 표면에 얼어 붙은 현상을 방지함으로써, 중공사막이 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있도록 한 연료전지용 막 가습기를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 막 가습기{Humidification device for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 막 가습기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 히터를 포함하는 다수개의 내부 분할모듈을 막 가습기내에 형성하여, 중공사막 다발의 중심부까지 습윤공기를 유도하여 가습효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 막 가습기에 관한 것이다.
연료전지 스택의 작동을 위해서는 연료전지 스택내의 고분자 전해질 막에 대한 가습이 필요하며, 이에 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤 기체인 배출 가스(exhaust gas)의 수분과 외기로부터 공급되는 건조 기체가 서로 수분 교환하는 방식으로 작동하는 별도의 막 가습기가 사용되고 있다.
가습기 타입에는 버블러(bubbler), 인젝션(injection), 흡착제 등 여러 가지 방법이 있지만, 연료전지 자동차의 경우 패키지 면에 있어서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작고 특별한 동력을 필요로 하지 않는 막 가습기가 적용되고 있고, 특히 연료전지에 사용되는 막 가습기로서 중공사막을 이용한 것이 적합하게 사용되고 있다.
첨부한 도 8에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 구성중 연료전지 스택에 공기(산소)를 공급하는 공기공급 시스템에 막 가습기가 포함되며, 공기블로워(202)의 흡입 작동에 의하여 외부의 건조공기가 막 가습기(100)에 공급되고, 동시에 연료전지 스택(200)으로부터 배출된 배출가스가 막 가습기(100)내를 통과하게 되며, 이때 배출가스에 함유된 수분이 막 가습기내의 중공사막을 통과하면서 건조공기가 가습되어진다.
첨부한 도 5 내지 도 7을 참조로, 중공사막을 포함하는 종래의 막 가습기에 대한 구성 및 작용을 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 기존의 막 가습기(100)는 하우징(101: housing)을 포함하고, 이 하우징(101)에는 건조공기(air)를 도입하는 공급구(102) 및 가습된 건조공기를 배출하는 배출구(103)가 형성되어 있고, 특히 상기 하우징(101)의 내부에는 다수의 중공사막(106)이 밀집된 중공사막 다발(107)이 수납되어 있다.
또한, 상기 하우징(101)에는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤공기의 유입을 위한 유입구(104)가 형성되고, 그 반대편에는 습윤공기의 배출을 위한 유출구(105)가 형성되어 있다.
이러한 구성을 갖는 중공사막을 이용한 막 가습기의 동작을 살펴보면, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)로부터 중공사막 다발(107)쪽으로 공급되면, 각 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 습윤공기중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 중공사막(106)의 내부로 이동한다.
이어서, 수분이 분리되어진 습윤공기는 그대로 중공사막(106) 외부를 따라 이동하여 하우징(101)의 유출구(105)를 통해 배출된다.
한편, 공기블로워의 구동으로 외기(건조공기)가 하우징(101)의 공급구(102)를 통해 공급되는데, 공급구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 중공사막(106)의 내측을 통하여 이동하게 되며, 이때 습윤공기로부터 분리된 수분이 중공사막(106)의 내측으로 이미 이동된 상태이므로, 이 수분에 의해 건조공기가 가습되는 것이며, 가습된 건조공기는 배출구(103)를 통하여 연료전지 스택쪽으로 공급되어진다.
그러나, 상기 중공사막 다발(107)은 다수의 중공사막(106)이 밀집된 컴팩트한 형태로 되어 있기 때문에, 유입구(104)를 통해 유입된 습윤공기가 중공사막 다발의 내부로 침투하는데 어려움이 있고, 더욱이 습윤공기가 중공사막을 통해 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 습윤공기가 중공사막의 내부로 침투하는데 더욱 큰 어려움이 있다.
특히, 상기 하우징(101)의 내부에서, 중공사막 다발(107)의 외측을 통과하는 습윤공기가 하우징(101) 내에서 도 6 및 7의 은선 표시로 나타낸 중공사막 다발(107)의 중심부로 침투하지 못하고, 도 6 및 도 7의 화살표에 표시된 바와 같이 주로 가장자리로 흐르게 되어, 결국 습윤공기가 중공사막 다발(107)의 중심부쪽으로 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 건조공기에 대한 가습 효율을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.
또한, 하우징(101)의 공급구(102)를 통하여 유입되는 건조공기가 주로 중공사막 다발(107)의 중앙 부분(도 6 및 도 7에서 은선으로 표시된 부분)으로 많이 흐르기 때문에 전체적인 가습 장치의 효율이 더욱 떨어지게 되는 문제점이 있다.
결국, 중공사막 다발(107)의 중심부에 위치된 중공사막(106)은 충분한 수분을 공급받지 못하게 되고, 이러한 이유로 인하여 가습 장치의 전체적인 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.
이러한 문제점은 첨부한 도 9의 시뮬레이션 실험 결과에서 잘 볼 수 있다.
즉, 도 9에서 보는 바와 같이 건조공기의 대부분이 중공사막 다발(107)의 중앙 부분으로만 흐르는 것을 확실히 알 수 있다.
다시 말해서, 하우징(101)의 공급구(102)를 통하여 유입되는 건조공기는 중공사막 다발(107)의 중앙 부분(도 6 및 도 7의 은선 표시 부분)으로 주로 흐르고, 유입구(104)를 통하여 유입되는 습윤공기는 중공사막 다발(107)의 가장자리 부분으로 흐르다 보니, 막 가습기의 가습 효율이 떨어지는 문제점이 발생하고 있고, 이러한 문제점은 특히 건조공기의 유량이 클 때, 즉 연료전지 스택에서 고출력을 낼 때 더 큰 영향을 미친다.
상기와 같이, 막 가습기에 공급되는 습윤공기(air)의 경우 연료전지로부터 반응 후 배출되는 공기이며, 수증기 뿐만 아니라 생성된 물 또한 습윤공기와 함께 막 가습기로 공급되어진다.
따라서, 추운 날씨의 경우 막 가습기 내부로 유입된 물이 얼게 되고, 이에 중공사막이 물의 어는 현상으로 인하여 제대로 된 가습 기능을 발휘하지 못하는 문제점이 발생하게 되고, 그리고 추운 날씨에 막 가습기를 사용하기 위해서는 중공사막에 얼어 붙은 수분이 녹을 때까지 기다려야 하는 문제점이 있다.
또한, 중공사막의 표면이 얼었다 녹았다를 반복하면서 손상을 입게 되면, 결국 손상된 중공사막은 스택 성능에 있어서 치명적인 영향을 미치기 때문에, 막 가습기 전체를 교환해야 하는 문제점이 있다.
또한, 막 가습기의 제조를 위한 비용 측면에서 볼 때, 막 가습기에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 고분자 물질로 이루어진 중공사막으로서, 현재 가습 성능을 좋게 유지하기 위하여 필요 이상으로 많은 중공사막 다발을 사용하고 있기 때문에 막 가습기의 크기 또한 성능에 비해 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 하우징의 내부에 착탈 가능한 카트리지 타입의 내부 분할모듈을 설치하여, 각 내부 분할모듈의 습윤공기 유입홀을 통하여 중공사막 다발의 중앙부까지 습윤공기가 고르게 침투되도록 함으로써, 중공사막 다발의 중앙부를 주로 흐르는 건조공기에 대한 가습 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 막 가습기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 카트리지 타입의 내부 분할모듈내에 히팅수단을 설치하여, 동절기시 습윤공기에 포함된 물이 중공사막의 표면에 얼어 붙은 현상을 방지함으로써, 중공사막이 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있도록 한 점에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 일측단부에 습윤공기 유입구가 관통 형성되고, 타측단부에 습윤공기 유출구가 형성된 중공형 하우징과; 상기 중공형 하우징의 내경면에 일체로 형성되는 조인트 멤버와; 상기 조인트 멤버에 체결되면서 중공형 하우징의 내부에 서로 인접 배열되는 것으로서, 습윤공기 유도홀이 관통 형성된 다수개의 내부 분할모듈과; 상기 각 내부 분할모듈의 내부에 내재되는 중공사막 다발; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 조인트 멤버는 중공형 하우징의 내경면에 일체로 형성되는 십자형의 지지부재와, 상기 내부 분할모듈의 후단부가 체결되도록 지지부재의 전면에 형성되는 조인트홈으로 구성된 것임을 특징으로 한다.
특히, 상기 내부 분할모듈은 부채꼴 단면 구조로서, 중공사막 다발이 지나가도록 전후방향으로 개방되고, 둘레방향의 각 벽면에 습윤공기 유도홀이 관통 형성된 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 분할모듈의 습윤공기 유도홀을 제외한 벽면의 내부에는 열선코일이 내장된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 막 가습기의 하우징내에 착탈 가능한 카트리지 타입의 내부 분할모듈들을 서로 인접되게 설치하여, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 나온 습윤공기가 각 내부 분할모듈의 습윤공기 유입홀을 통하여 중공사막 다발의 중앙부까지 고르게 침투되도록 함으로써, 중공사막 다발의 중앙부를 주로 흐르는 건조공기에 대한 가습 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 기존의 막 가습기용 하우징 내부에 많은 가닥의 중공사막 다발이 배열되는 것과 달리, 각 내부 분할모듈내에 중공사막 다발을 분산시켜 배열함에 따라, 고가의 중공사막 다발 수를 줄여서 원가 절감을 도모할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 내부 분할모듈내에 별도의 히팅수단을 더 설치하여, 동절기시 습윤공기에 포함된 물이 중공사막의 표면에 얼어 붙은 현상을 방지할 수 있고, 빙결에 의하여 중공사막이 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기를 나타내는 분리사시도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기를 나타내는 조립사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기의 내부 분할모듈에 히팅수단이 설치된 예를 나타내는 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 막 가습기를 나타내는 단면도,
도 5는 종래의 연료전지용 막 가습기를 나타내는 사시도,
도 6은 종래의 연료전지용 막 가습기를 나타내는 단면도,
도 7은 종래의 연료전지용 막 가습기의 가습 원리를 설명하는 단면도,
도 8은 연료전지 시스템의 공기 공급 시스템을 설명하는 개략도,
도 9는 종래의 연료전지용 가습기에서 발생되는 문제점을 설명하는 시뮬레이션 실험 결과 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 7을 참조로 전술한 바와 같이, 공기블로워의 구동에 의하여 가습기용 하우징(101)의 공급구(102)를 통하여 유입되는 건조공기(외기)는 중공사막 모듈(107)의 중앙 부분 즉, 다수의 다발을 이루는 중공사막(106)들중 그 중앙부에 배열된 중공사막들의 내부를 따라 주로 흐르고, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출되는 습윤공기는 하우징(101)의 유입구(104)를 통하여 유입되어 중공사막 모듈(107)의 가장자리 부분 즉, 다수의 다발을 이루는 중공사막(106)들중 외주부에 배열된 중공사막들의 외부를 따라 주로 흐르다 보니, 건조공기와 습윤공기 간의 접촉 정도가 떨어질 수 밖에 없는 구조적 모순이 있어, 가습 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 건조공기가 주로 흐르는 중공사막 다발의 중앙부쪽으로 습윤공기를 유도 공급하여, 건조공기와 습윤공기 간의 접촉 정도를 증가시켜 가습 효율을 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 가습기용 하우징(101)내에 다수개의 내부 분할모듈(110)을 착탈 가능하게 설치하고, 각 내부 분할모듈(110)내에 중공사막 다발을 고르게 배치하여, 연료전지 스택에서 반응을 마치고 나온 습윤공기가 내부 분할모듈(110)내에 내재된 중공사막들에 고르게 침투할 수 있도록 한다.
상기 하우징(101)은 중공형 구조로서, 일측 개방부는 공기블로워로부터 유입되는 건조공기의 공급구(102)로 형성되고, 타측 개방부는 가습된 건조공기가 연료전지 스택으로 배출되는 배출구(103)로 형성되며, 또한 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 나온 습윤공기가 유입되는 유입구(104)가 배출구(103)의 외주부에서 그 둘레방향을 따라 등간격으로 형성되고, 잔여 습윤공기가 빠져나가는 유출구(105)가 공급구(102)의 외주부에 형성된다.
여기서, 상기 습윤공기 유입구(104)가 형성된 하우징(101)의 일측쪽 내부에 습윤공기 유도홀(112)이 관통 형성된 다수개의 내부 분할모듈(110)이 착탈 가능하게 설치된다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 내부 분할모듈(110)은 부채꼴 형상 단면, 더욱 바람직하게는 1/4 원형 단면으로 형성되고, 중공사막 다발(106)이 지나가도록 전후방향으로 개방되고, 그 둘레방향의 각 벽면에는 습윤공기 유도홀(112)이 관통 형성된 구조로 제작 구비된다.
이렇게 구비된 내부 분할모듈(110)을 하우징(101)의 내경면에 분리 가능하게 체결시킬 수 있도록 하우징(101)의 내경면에는 조인트 멤버(120)가 일체로 형성되는 바, 이 조인트 멤버(120)는 전면에 조인트홈(124)이 형성된 십자형의 지지부재(122)로 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 십자형 지지부재(122)가 하우징(101)의 내경면에 일체로 형성되고, 십자형의 지지부재(122)의 전면에는 내부 분할모듈(110)의 후단부가 체결되도록 조인트홈(124)이 노출되는 상태가 된다.
따라서, 상기 내부 분할모듈(110)을 하우징(101)의 내경쪽으로 밀어 넣는 동시에 내부 분할모듈(110)의 후단이 하우징(101)의 내경면에 일체로 형성된 십자형 지지부재(122)의 조인트홈(124)내에 삽입 체결된다.
이에, 첨부한 도 1 내지 도 4에서 보는 바와 같이 1/4 원형 단면으로 이루어진 각 내부 분할모듈(110)은 서로 십자형의 흐름 경로를 형성하면서 인접 배열되는 상태가 되고, 또한 각 내부 분할모듈(110)의 외측면과 하우징(101)의 내경면은 습윤공기의 외곽 흐름 경로를 형성하면서 서로 이격되는 상태가 된다.
물론, 상기 각 내부 분할모듈(110)의 내부에는 중공사막 다발(107)이 배열된다.
이때, 상기 각 내부 분할모듈(110)의 전체 내부공간이 기존의 하우징 내경 공간보다 작은 공간을 이루기 때문에, 기존에 하우징내에 밀집되며 배열되는 중공사막 다발의 가닥 수에 비하여 각 내부 분할모듈(110)내에는 작은 가닥 수를 갖는 중공사막 다발을 배열할 수 있다.
다시 말해서, 기존의 막 가습기용 하우징 내부에 많은 가닥의 중공사막 다발이 배열되는 것과 달리, 보다 작은 공간을 이루는 각 내부 분할모듈(110)내에 중공사막 다발(107)을 분산시켜 배열함에 따라, 고가의 중공사막 다발의 가닥 수를 줄여서 원가 절감을 도모할 수 있다.
한편, 상기 내부 분할모듈(110)의 습윤공기 유도홀(112)이 형성되지 않은 나머지 벽면의 내부에는 전원공급수단에 의하여 히팅되는 열선코일(114)이 내장된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 막 가습기의 가습 동작을 살펴보면 다음과 같다.
공기블로워의 구동에 의하여 건조공기(외기)가 하우징(101)의 공급구(102)를 통해 공급되면, 공급구(102)를 통해 공급되는 건조공기는 중공사막(106)의 내부 통하여 이동하게 된다.
이때, 연료전지 스택으로부터 반응을 마치고 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)로부터 각 내부 분할모듈(110)내의 중공사막 다발(107)쪽으로 흐르게 된다.
보다 상세하게는, 첨부한 도 4에서 보듯이 상기 하우징(101)의 유입구(104)로부터 유입된 습윤공기가 각 내부 분할모듈(110) 간의 십자형 흐름 경로와, 각 내부 분할모듈(110)의 외측면과 하우징(101)의 내경면 간의 외곽 흐름 경로를 따라서 이동하게 되고, 연이어 각 내부 분할모듈(110)의 습윤공기 유도홀(112)을 통과하는 동시에 각 내부 분할모듈(110)내의 중공사막 다발(107)로 흐르게 된다.
따라서, 각 내부 분할모듈(110)내에서 중공사막 다발(107)을 이루는 각 중공사막(106)의 모세관 작용에 의해 습윤공기 중의 수분이 분리되고, 분리된 수분은 중공사막(106)의 모세관내를 투과하면서 응축되어 각 중공사막(106)의 내부로 이동하게 된다.
이와 같이, 습윤공기가 하우징(101)의 유입구(104)를 통해 유입됨과 함께 각 내부 분할모듈(110)내에 분산 배열된 중공사막 다발(107)쪽으로 고르게 침투함으로써, 전체 중공사막 다발의 내부를 흐르는 건조공기에 대한 고른 가습이 이루어져 건조공기에 대한 가습 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
물론, 모세관 현상에 의하여 각 중공사막(106)의 내측으로 이동된 수분에 의하여 건조공기가 용이하게 가습된 후, 하우징(101)의 배출구(103)를 빠져나가서 연료전지 스택쪽으로 공급된다.
한편, 동절기시 습윤공기에 포함된 물이 중공사막(106)의 표면에 얼어 붙은 빙결 현상을 방지고자, 전원공급수단으로부터의 전원이 각 내부 분할모듈(110)내에 설치된 열선코일(114)에 인가되도록 함으로써, 기존의 빙결 현상에 의한 중공사막이 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
100 : 막 가습기 101 : 하우징
102 : 공급구 103 : 배출구
104 : 유입구 105 : 유출구
106 : 중공사막 107 : 중공사막 다발
110 : 내부 분할모듈 112 : 습윤공기 유도홀
114 : 열선코일 120 : 조인트 멤버
122 : 지지부재 124 : 조인트홈
200 : 연료전지 스택 202 : 공기블로워

Claims (4)

  1. 일측단부에 습윤공기 유입구(104)가 관통 형성되고, 타측단부에 습윤공기 유출구(105)가 형성된 중공형 하우징(101)과;
    상기 중공형 하우징(101)의 내경면에 일체로 형성되는 조인트 멤버(120)와;
    상기 조인트 멤버(120)에 체결되면서 중공형 하우징(101)의 내부에 서로 인접 배열되는 것으로서, 습윤공기 유도홀(112)이 관통 형성된 다수개의 내부 분할모듈(110)과;
    상기 각 내부 분할모듈(110)의 내부에 내재되는 중공사막 다발(107);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 조인트 멤버(120)는:
    중공형 하우징(101)의 내경면에 일체로 형성되는 십자형의 지지부재(122)와;
    내부 분할모듈(110)의 후단부가 체결되도록 지지부재(122)의 전면에 형성되는 조인트홈(124);
    으로 구성된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 분할모듈(110)은 부채꼴 단면 형상으로서, 중공사막 다발(106)이 지나가도록 전후방향으로 개방되고, 둘레방향의 각 벽면에 습윤공기 유도홀(112)이 관통 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
  4. 청구항 1 내지 3중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 내부 분할모듈(110)의 습윤공기 유도홀(112)을 제외한 벽면의 내부에는 열선코일(114)이 내장된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 가습기.
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